電磁流量計手操器的設計

電磁流量計手操器的設計
   摘.. 要.. 論述了HART 協議及其在現場儀表中的應用, 介紹了手操器的發展及工作原理, 描述了所設計的基于HART 協議的電磁流量計手操器的硬件結構、原理及軟件功能, 并在實踐中得到了成功的應用。
  關鍵詞.. 手操器.. 電磁流量計.. HART 協議.. 串行通信
   0 .. 引言
   電磁流量計是利用法拉第電磁感應定律測量導電流體的體積流量的儀表。由于安裝位置的限制, 在調試時采用手操器讀取儀表內各參數以判斷運行情況就成了電磁流量計應用的一大趨勢?，F場總線技術是當前自動檢測技術及過程控制領域的熱點之一, 通過現場總線, 數字通信技術正在給現場儀表及過程控制系統帶來巨大變革。但目前基于4 ~ 20mA 的模擬設備還廣泛應用于工業控制各個領域, 實現全數字化還不現實。為實現從模擬到全數字的過渡, 美國Rosemount 公司于1985 年推出了一種用于現場智能儀表與控制設備之間的通信協議.. HART 協議。HART 協議兼容模擬電流信號及數字通信信號, 既可進行模擬信號傳輸, 又能進行數字通信。作為一個開放性協議, 經過十年多的發展, HART 協議已廣泛為智能儀表領域所接受。HART 通信泛的應用是現場智能儀表與手持終端之間的通信。但手持終端并不適用于操作人員做常規監控, 也不能實現用戶自編程序的自動控制過程, 本文針對這種情況設計了一種操作方便、能滿足用戶特殊要求、符合HART 通信標準的電磁流量計手操器, 并在現場測試中得到了實現。
   1 .. HART 協議結構模型簡介
   HART 協議采用在4~ 20mA 模擬信號上疊加音頻數字信號的方法進行雙向數字通信, 不會影響傳送的系統模擬信號大小, 保證了與現有模擬系統的兼容性。HART 協議遵循ISO 制訂的OSI 開放式系統互連參考模型中的層、第二層、第七層, 即物理層、數據鏈路層和應用層( 見圖1) 。圖1 .. HART 通信協議模型
   1. 1 .. 物理層
   物理層規定了信號的傳輸方法和傳輸媒質。HART 通信傳輸基于Bell202 通信標準, 采用頻移鍵控.. FSK 方法, 傳遞波特率設定為1200bps, 數字信號.. 0..和.. 1..分別用.. 2200Hz..和.. 1200Hz.. 的正弦波表示, 這些頻率疊加在模擬信號上傳遞。由于FSK 信號平均值為0, 不影響模擬信號傳輸, 傳輸介質通常采用雙絞電纜線, 傳輸距離為1500m( 見圖2) 。圖2 .. HART 信號傳輸標準
   1. 2 .. 數據鏈路層
   數據鏈路層規定了HART 幀的格式, 實現建立、維護、終結鏈路通信功能。HART 協議采用自動重復請求發送機制, 根據冗余糾錯碼信息實現通信數據的無差錯傳遞。
主設備..從設備的數據幀格式FF FF 定界符地址命令字節計數數據校驗字節從設備..主設備的回應數據幀格式FF FF 定界符地址命令字節計數響應數據校驗字節.. .. HART 協議采用2~ 20 個.. FF..作為給接收設備的同步信息, 所有主設備、從設備發送的幀均以一定數目的.. FF..字節開頭, 這些信號在物理層的協議實現中用于對調制解調電路系統進行預同步。通常HART 協議按主從方式通信, 通信由主設備發起, 從設備先聽后答。在點到點的通信中, 電磁流量計手操器即為主, 電磁流量計即為從。HART 幀以8 位(1 字節) 進行編碼, 對每字節加上起始位、奇偶校驗位及1 位停止位共11 位傳遞, 保證了每個字節數據傳輸的同步。
   2 .. 手操器的硬件設計
   2. 1 .. 基于HART 協議的硬件設計特點
   .. 手操器的軟硬件設計嚴格遵循HART 協議的技術規范, 應用該手操器可以與其他符合HART 協議的設備進行數字通信, 具備良好的兼容性。.. 模擬所有運算均采用精度*的IEEE754 格式的浮點數運算, 精度可達0. 1%。
   2. 2 .. 硬件電路原理圖設計
   2. 2. 1 .. CPU
   根據HART 手操器的設計要求, 選擇了MCS- 51 系列中的89C51 單片機作為微處理器, 內含128 字節RAM、4 個8 位并行I/ O 口、1 個全雙工的串行I/ O、2個16 位字時器和兩級優先權的5 個中斷源。89C51 指令系統含大量算數運算、邏輯判斷、轉移及位操作指令, 非常適合本設計的要求。根據系統程序的大小, 本設計采用EPROM27256 作為手操器的程序存儲器, 程序空間32k。HART 手操器原理圖如圖3 所示。圖3 .. HART 手操器原理圖
   2. 2. 2 .. HART 調制解調器A5191HRT
   A5191HRT 是專為實現HART 協議而設計的低功耗調制解調器, 它幾乎包含所有在4~ 20mA 模擬現場儀表上疊加HART 協議所需的電路, 只需外接少量元件即可構成HART 協議的完整應用。它共有時鐘模塊、調制器模塊、解調器模塊和載波檢測模塊等4 個功能模塊。.. 調制當INRTS 引腳為低電平時, 調制器工作, 解調器關閉, 芯片接收CPU 送到ITXD 引腳的不歸零碼(NRZ) 數字信號并調制成FSK 信號后由OTXA 引腳輸出。ITXD 為低電平時, OTXA 輸出2200Hz 信號; ITXD 為高電平時, OTXA 輸出1200Hz 信號。發送信號波特率為1200bps。應用線路圖如圖4 所示。圖4.. HART 調制解調器應用線路圖.. 解調當INRTS 引腳為高電平時, 解調器工作, 調制器關閉。接收到的信號需經過一個帶通濾波器, 這個濾波器部分集成在芯片內, 部分外接。A5191HRT 需要IAREF 和ICDREF 兩個參考電壓源: IAREF 為芯片內部的放大器和比較器提供電壓基準, 正常為1. 235V; ICDREF 用于載波檢測, 應比IAREF 低0. 08V, 見圖5。圖5.. HART 調制解調器解調過程.. 載波檢測當IRXAC 的電壓小于ICDREF 時, 比較器的CDCMP 輸出邏輯電平并被引入一個載波檢測模塊。當INRTS 為高且有4 個連續脈沖到達時,OCD 腳置高, 下一個有效脈沖必須在2. 5ms 內被接收才能使OCD 保持高電平。載波檢測用于對HART 幀信號同步信號的檢測。.. 時鐘芯片正常工作需要460. 8KHz 的時鐘信號, 由引腳OXTL 和IXTL 間連接1 個晶體諧振器實現。
   3 .. 系統的軟件模塊設計
   在點- 點HART 協議智能電磁流量計的設計中采用的
是主從結構, 主機即為手操器, 從機即為電磁流量計。從機的主程序流程圖如圖6 所示。圖6.. HART 電磁流量計主程序流程圖根據流量變送器的程序流程, 從機的A5191HRT 初始化應設定為解調接收狀態, 相應主機即手操器的A5191HRT 初始化應設定為調制發送狀態。HART 的數據鏈路層規定了數據幀格式和數據通信規程, 其通信是按字節接收和發送的, 格式如下: 起始位0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 奇偶校驗停止位1 .. .. 規定在發送一個通信幀時, 每兩個字符之間的發送間隔GAP 不能大于一個發送字節幀的時間9. 167ms (1200s .. 11) 。數據幀由若干字節組成, HART 幀分為長幀和短幀兩種, 但均遵循如下格式: 序文起始字符地址命令號字節數通信狀態通信數據檢驗碼圖7 .. HART 電磁流量計手操器主程序流程圖.. .. 序文由兩個或兩個以上的.. FF..組成, 主要用于MODEM 接收時的幀同步; 起始字符一個字節, 包括源地址和目的地址; 命令號一個字節, 代表HART 的命令序號; 檢驗碼一個字節用于校驗接收數據的正確性。電磁流量計手操器主程序流程如圖7 所示, 中斷程序流程如圖8 所示。圖8.. HART 電磁流量計手操器中斷程序流程圖.. .. 電磁流量計的HART 協議手操器中設置了4 個參數顯示屏幕: 累積流量、瞬時流量、密度、儀表零點等4 個主變量為一屏; 阻尼時間、流量、小信號切除、儀表號為第二屏參數; 非線性修正參數占據了第三、四屏。
   4 .. 結束語
   基于HART 協議的儀表與傳統4~ 20mA 標準的儀表具有兼容性, 有著廣泛的應用空間。手操器正是與之相配套的產品, 具有操作靈活、使用簡單的優點。本設計在大港油田的現場調試獲得成功。實踐證明, 本電磁流量計手操器的設計較好地滿足了電磁流量計現場調試的要求, 其功能滿足了客戶的需要。
   參考文獻1 .. 陽憲惠. 現場總線技術及其應用. 清華大學出版社, 1999 2 .. 張毅剛, 等.MCS- 51 單片機應用設計[ M] . 工業大學出版社, 2001 3 .. 丁方臣. 基于HART 協議的智能變送器的應用[ J ] . 自動化博覽, 2002. 1 4 .. 韓琳, 王淑鈞. 基于HART 協議的智能現場通訊器的設計[ J] . 應用科技, 2002. 11 --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：